小米吸水动力学研究

西农业科学2015,43(9):116-111,1126Journal of Shanxi Agricultural Sciencesdoi:10.3969/iss1002-2481.201509.12小米吸水动力学研究单璐,冀佩双,吴桐,吕国涛,张丽珍(山西大学生命科学学院山西太原030006摘要:运用 Peleg模型研究了小米在不同温度和时间浸泡条件下的吸水性质,并对其吸水动力学进行了分析。结果表明在浸泡的初始阶段小米以很高的速率吸收水分随后小米含水量的变化逐渐趋于平缓最后小米含水量达到平衡; Peleg方程对小米在不同温度下的吸水过程能够较好地拟合,R均大于099,且相对误差均小于5%其中,速率常数K1与容量常数K2均随温度的升高而降低;将温度与其对应的速率常数K进行阿尼乌斯方程拟合,R2为097,拟合度较高并得到小米在浸泡过程中的活化能为11.003 kJ/mol关键词:小米;水分吸收;Peeg方程;活化能中图分类号:S515文献标识码:A文章编号:1002-2481(2015)09-111604Study on the Water absorption during the Steeping of MilletSHAN Lu, JI Pei-shuang, WU Tong, LYU Guo-tao, ZHANG Li-zhenCollege of Life Sciences, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)Abstract: Using the model of Peleg, absorption properties and kineties of millet were studied under diferent soaking temperatures(25-60C)and times(10 g-150 min). The results showed that millet absorbed water with a high rate at the initial stage of soaking, thenthe change of water content tended to flatten gradually, and finally millet moisture reached to balance. The millet water absorption curvefit the Peleg equation very well, different temperature correlation coefficients were above 0.99, and the relative errors were less than 5%In the Peleg model, the rate constant K, and capacity constant K, decreased with increasing of temperature. Furthermore, temperature andrate constant fitted the Arrhenius equation very well, the correlation coefficient was 0.97, at the same time, getting the millet activationenergy in soaking which was 11.003 kJ/moL.Key words: millet; water absorption; Peleg equation; activation energy谷子( Setaria italica(L) Beauv.)属禾本科狗尾学进行研究,为小米深加工时的浸泡过程提供理论草属植物叫小米是谷子脱壳后的产物,营养价值很依据。高且各种营养元素比例适宜,消化率很高,在我国北方常被加工成稀饭食用深受人们的喜爱浸泡可1材料和方法以使水分进入小米的内部,对加工过程中小米淀粉1.1试验材料及仪器的糊化和制成品的口感产生一定的影响,其是小小米为市售的“汾珍”牌晋谷21号;去离子水;米在加工制作时必不可少的步骤,而合理的浸泡时ME204电子天平,梅特勒-托利多仪器(上海)有间与温度则可以使小米充分吸水并减少小米水溶限公司;DHG-9040s电热恒温鼓风干燥箱,宁波东性物质的损失。 Peleg方程是描述农副产品吸水浸南仪器有限公司;HH4数显恒温水浴锅,江苏金泡时最常用的经验性模型,国内外学者运用 Peleg坛市环宇科学仪器厂。方程对糙米和发芽糙米、薏米水稻杏仁干1.2水分吸收面条以及不同豆类P1等材料的吸水动力学进行取150mL的去离子水于250mL的锥形瓶,将研究,结果表明,方程能对吸水过程进行较好拟合。锥形瓶置于水浴锅中,在预设温度下平衡05h准本试验运用 Peleg方程模拟小米的水分吸附曲确称取颗粒完整饱满的10000g小米置于锥形瓶线,以确定小米的吸水特性,并对小米的吸水动力中,温度分别设置为25,30,40,50,60℃,在10s收稿日期:201506-09中国煤化工基金项目:“十二五”国家科技支撑计划课题(2014BAD07B01);山西省国际科技合作项目作者简介:单璐(190-),女,山西古交人在读硕士,研究方向植物功能成分研究及利見。CNMHG1116单璐等:小米吸水动力学研究150min时间内定期取出小米,用滤纸吸干表面水温度为60℃时,小米含水量明显高于其他温度浸分,迅速称量,精确到00001g,重复3次,水分含泡;同一浸泡温度下,小米的水分含量在0~20min量以样品干基计。内快速增加,20~60min内水分含量变化逐渐平13Peeg方程的建立与参数的分析缓,60min后,小米的水分含量基本维持稳定。Peleg于1988年提出如下2个参数非指数的经验性方程式。M1=M±K+K,其中,M6(%)为110826,是样品的初始含水25℃量;M(%)为样品在t时刻的含水量;K1为速率常数(h·%1);K2为容量常数(%-)。式中的±取+,表示吸水,取-表示失水。将式(1)变形得到式(2),以t为自变量,(M-6080100120140160M)为因变量得到线性方程,该方程的截距和斜率图1不同时间、温度浸泡对小米水分含量的影响分别为速率常数K1与容量常数K2。探究不同温度22小米吸水动力学方程的建立与参数分析下 Peleg方程中2个参数与温度的关系。从表1可以看出,不同温度下,小米浸泡过程t=k1+k(2)中水分的吸收可以用 Peleg方程较好拟合,R2均大M1-M014 Arrhenius方程的拟合与活化能的计算于0.99,且相对误差均小于5%。另外, Peleg方程中阿仑尼乌斯方程是一个反映化学反应速率常的参数K1与K2,随着温度升高呈下降的趋势,以温数随温度变化关系的经验型公式。度为自变量,分别以2个参数为因变量拟合曲线,可以得到K1与K2关于温度良好的线性曲线(图I=KexpI-E(3)2),线性方程分别如下。将式(3)变形得到式(4),以1T为自变量,hny=-3×105x+0.0037(R2=09891)(6)(1/K1)为因变量得到线性方程,可以得到小米吸水y=-0.000x+0.055(R2=08288)(7)过程的活化能E和频率因子KPeleg方程中,K,K2分别为速率常数和容量常数,在小米的吸水过程中分别反映小米的吸水速率In=InKo-r与保水能力K1,K2均与温度呈负相关关系,研究表该式中,K为频率因子(h),E为活化能(k明,在温度为25~60℃的范围内,温度越高,小米mol),R为气体常数(8.3145kJ(molK),T为绝对吸水速率越高,且达到平衡时小米的含水量越大。温度(K)。速率常数K1随温度上升而减小的趋势与糙米、发1.5数据处理芽糙米、薏米門、鹰嘴豆門的报道结果相同,与糯用式(5)进行相对误差分析,以此来判定 Peleg米、籼米粳米和泰国香米则相反。容量常数K2方程的拟合程度与预测水平。随时间的变化关系则暂无定论,K2随温度的升高而E=M-M变大或者变小的报道均可见。另外,Abu- GhannamM,×100%(5)等和 Maharaj等叮研究表明,温度不会对K2产生式中,M表示试验测定水分含量,n为某一温影响, Sopade等和徐杰等对糙米的研究结果表度下所取时间点总个数M。为 Peleg方程预测值。明,温度对K2产生的影响并不是恒定的。当E<10%时, Peleg方程具有较好的拟合性和预将式(6)和式(7)带入式(1)中,得到小米在测性。25~60℃内的吸水动力学方程:M1=11.0826+t2结果与分析(0.0037-3×10T+(0.055-0.0002T))。其中11026为小米初始含水量M%),T为温度(℃),21小米浸泡过程中水分含量的变化t为时间(h)。这个方程反映了浸泡过程中小米的水由图1可知,浸泡可以使小米含水量明显增分含量随温中国煤化工千可预测25加。浸泡相同时间温度越高则含水量越大,当浸泡60℃浸泡减CNMH(量。1117山西农业科学2015年第43卷第9期表1小米在不同温度下的Peeg方程及各参数温度/℃K(h%)Peeg方程相对误差%250:002900488M=11.0826+t(00029+00488t3.96500478M=11.0826+t(0.0028+0.0478t099931459000240.0472M=110826+(00024+0.0472)0002200458M=110826+t(00022+0.0458)99882.3000001800400M=11.0826+(00018+00400)099863x10°x+00037y=-0.0002x+005R2=098910.050R2=082880002000200.0400035温度图2小米Peeg方程参数K,K与温度的关系23 Arrhenius方程的拟合与活化能在25~60℃下的吸水动力学方程:M2=11.0826+阿仑尼乌斯方程式是反映速率常数K1与温度t(00037-3×103T+(0055-00002T))。的关系式,以1T×103为自变量,n(K1)为因变量对速率常数K1与温度进行了阿仑尼乌斯方程拟合曲线如图3所示得到拟合程度较高的线性方的拟合,相关系数为09744,经计算得到浸泡过程程,相关系数为09744,由此可计算出小米在浸泡中小米吸水的活化能E为11003 kJ/mol过程中的活化能E为1.003kJ/mol,频率因子K为285097h。从而得到了小米浸泡的阿仑尼乌斯鲁考文献:方程:1/K=285097×exp4如m,由此方程可进[1] Zhang G, Liu X. Quan Z, et al. Genome sequence of foxtail millet步得到速率常数K1与温度的关系。(Setaria italica)provides insights into grass evolution and biofuelpotential( Nature Biotechnology, 2012, 30(6): 549-556y=-1.3233x+10258[2] Muramatsu Y, Tagawa A, Sakaguchi E, et al. Water absorption char-R2=0.9744acteristics and volume changes of milled and brown rice duringsoaking J]. Cereal Chemistry, 2006, 83: 624-6316.[3] Akemi K, Horigane. Water penetration into flee grains during soak-ing observed by gradient echo magnetic resonance imaging [J]Jour-nal of Cereal Science, 2006. 44: 307-3165.7[4]徐杰张晖郭晓娜等糙米和发芽糙米吸水动力学研究食3.3ITx 102品工业科技,2011,32(7):150-153图3速率常数K与温度的 Arrhen ius方程拟合[5]王辉胡国洲陈光静等薏米吸水动力学的实验研究食品工业科技,2013,17(34):126-134.3结论[6] Bello M 0, Tolaba M P. Hydration kinetics of rice kernels undervacuum and pressure/J] Joumal of Food Engineer, 2008, 4: 1-19小米的吸水曲线符合经典物质的吸水曲线,即714cm1H,KyhB, Kayisoglu S. Water absorption characte水分含量随着时间的延长而不断增加,呈现先快后tics of apricot kemels during soaking J) Joumal of Food Process En-gineering,2008,31(5):711-720慢逐渐平衡的趋势。较高的温度也可以使水分含量(8]严勇强李汴生阮征Pdg方程在油炸与热风干面条吸水性达到更高的饱和点比较中的应用现代食品科技,2013,29(1):107-11本研究结果表明, Peleg方程能够很好地对在 9] Turhan M, Sayar S. Gunasekaran S. Application of Peleg model to25~60℃下小米的水分含量进行拟合,相关系数study water absorption in chickpea during soaking [] Journal ofR2>0.99,水分的测量值与预测值间没有显著差异Food Engineer,2002,53(2):153-159[10] Pan Z. Characteristics of soybeans as affected by soaking conditions(E<5%)。同时得到了 Peleg方程中速率常数K1和[]. LWT-Food Science and Technology, 2003, 36(1): 143-151容量常数K2与温度的关系,二者与温度均呈负相关(11 voglio D,中国煤化工 y pressurised关系,相关系数分别为09891和08288。得到小米CNMHG转第1126页)1118山西农业科学2015年第43卷第9期发挥其最佳增产潜力。这与并单16号的特征特性难以推广2。但并单16号玉米品种由于其脱水快及产量表现相适应。耐低温灌浆、适宜密植、抗病性好,非常适宜在高寒3.1并单16号特征特性冷凉区种植。而起垄、补水机播、渗水膜覆盖技术可并单16号属特早熟玉米单交种。太原春播生以增墒、提温、减少劳动力成本,又能使玉米早熟育期102d,需≥10℃活动积温2100~2200℃。高产,应该逐步在高寒冷凉区大力推广明。因此,并株高260cm,穗位高110cm,适宜机械化播种和机单16号玉米品种结合起垄、补水机播、渗水膜覆盖械化收获。穗位低、出籽率高、品质好、株型紧凑,适技术在山西省乃至全国高寒冷凉特早熟区进行大宜密植,具有在较低温度下灌浆速率高的生理特性。力推广具有广阔的前景和现实意义。32并单16号起垄、补水机播、渗水膜覆盖处理增产原理参考文献是起垄渗水膜垄侧沟种可以在玉米生长期1段运平田清震刘守渠等特早熟玉米种质改良与耐低温高有效地接纳雨水,使得雨水径流能够有效接纳到播产杂交种选育山西农业科学,2007,35(6):4246[2]刘守渠,段运平特早熟玉米自交系农艺和产量性状配合力分种沟内,减少蒸发和损失;二是机械补水播种可以析及其改良门]山西农业科学,2012,40(11):114-1145,114提高出苗率,达到苗齐、苗壮;三是渗水薄膜在接纳[3]段运平,刘守渠郭峰,等玉米品种并单16号的选育及高产栽雨水的同时减少蒸发,提高地温,促使玉米提早成培技术门中国种业,2014(12):74-75熟,减少低温损失,并在玉米生长后期可以及时降4】周旭梅高旭东,何晶种植密度对玉米产量及产量性状的影响解,减少污染。可以有效地解放劳动力和减小劳动河北农业科学,2011,15(10):34-38[5]温日宇郭耀东,刘建霞,等.不同密度和种植方式对玉米产量力成本。而普通薄膜覆盖与陆地播种相比,虽然也的影响山西农业科学,2011,39(8):814815能提高并单16号玉米的产量,但增产效果并不明[6]罗洋,郑金玉郑洪兵,等宽窄行与常规耕作方式下玉米种植显。因为在降水较少的北方旱作区,普通薄膜不能密度的研究吉林农业科学,2010,35(5):3-9使雨水有效下渗,特别是雨水较小的春季,薄膜上[7]王宏庭王斌赵萍萍等种植方式密度施肥量对玉米产量的雨水只能白白蒸发损失,虽能增温,但不能增墒。和肥料利用率的影响门玉米科学,2009,17(5:104-107.因此起垄、补水机播渗水膜处理是高寒旱作区玉8]成雪峰柴守玺张风云河西绿洲灌区不同灌溉模式下春小麦主要农艺性状与产量和WUE的灰色关联分析识麦类作物学米生产发展的一条有效途径。报,2007,27(4):699-70433高寒冷凉区特早熟玉米发展思路及对策[9]蒋士强,董慕新农业测试分析团分析实验室,1992,11(6):随着全球气温的逐渐变暖,玉米的种植区域向84-108.高海拔和高纬度地区延伸,特早熟玉米的种植面积101,董树亭,张吉旺,谢发明建立玉米现代产业技术体系加快玉将不断扩大。但是,现有特早熟玉米品种主要存[11]袁斌,李爱军,郑丽萍,等山西省早熟玉米品种发展策略门在的问题一是大多数特早熟玉米品种营养生长期河北农业科学,2014,18(4):16-19短,植株营养体过小,籽粒产量太低,种植利润过12]岳焕荣杨中民早熟玉米品种主要农艺性状与产量相关研究低,造成群众种植积极性不高。二是生育期稍长山西农业科学,1997,25(4):29-31.的特早熟玉米品种生育期积温难以满足其灌浆、成13]岳韩成卫孔晓民刘丽不同种植模式对玉米生长发育、产量熟。后期易发病害造成籽粒小、容重低商品性差,及机械化收获效率的影响玉米科学,2012,206):89-93(上接第1118页)[15]余世锋,马莺张海玲籼米粳米及泰国香米吸水性质及其动soaking process for the hydration and aromatisation of cannellini力学研究食品工业科技,2009,30(6):8690.beans[). Jourmal of Food Engineer, 2013, 116(3): 765-774[16] Abu-Ghannam N. Hydration kinetics of kidney beans(phaseolus[12] Ghafoor M. Ultrasound assisted hydration of navy beans(Phase-vulgaris L )[J] Jourmal of Food Science, 1997, 62: 520-523lusvulgoris )(J). Ultrason Sonochem, 2014, 21(1): 409-414[17] Maharaj V, Sankat C K Rehydration characteristics and quality of[13]Angela Kinetic of water adsorption in common bean: considerationsdehydrated dasheen leaves[J). Canadian Agricultural Engineeringon the suitability of peleg's model for describing bean hydration[J].2000,42:81-85joumal of Food Processing and Preservation, 2011, 35(4): 447-452. [18] SopadeP AS, Okonmah G N Modelling water absorp[14] Peleg M. An empirical model for the description of moisture sorp-中国煤化工 ties of cowpea duringtion curves[J Journal of Food Science, 1988,53: 1216-1219CNMHGOS1126·